猎鹰9号火箭发射及箭体复用的分析.pdf
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1、第8 卷第1期2024年1月宇航总体技术Astronautical Systems Engineering TechnologyVol.8 No.1Jan.2024猎鹰9 号火箭发射及箭体复用的分析刘敏华12(1西北工业大学,西安7 10 0 7 2;2.中国运载火箭技术研究院,北京10 0 0 7 6)摘要:猎鹰9 号火箭截至2 0 2 3年年底已完成2 8 6 次发射。对猎鹰9 号火箭特别是Block5版本火箭的发射情况进行了完整梳理统计,重点分析了一级箭体的复用情况以及发射、回收的相关能力保障,对火箭的经济性和未来前景作了预测。关键词:猎鹰9 号火箭;一级箭体;重复使用中图分类号:V47
2、5文献标志码:A文章编号:2 0 9 6-40 8 0(2 0 2 4)0 1-0 0 2 0-0 8Analysis of Falcon 9 Launch and Booster ReuseLIU Minhual2(1.Northwestern Polytechnical University,Xian 710072,China;2.China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076,China)Abstract:Falcon 9 has completed 286 launches by the end of 2023.In
3、this paper,the launch situa-tion of Falcon 9,especially Block5,is completely sorted out and statistically analyzed,focusingon the reuse of the stage-l booster,as well as the relevant capability guarantee of launch and re-covery.The economy and future prospects of the rocket are predicted.Key words:F
4、alcon 9;Stage-1 booster;Reuse(1)猎鹰9 号1.0 版(已退役)0引言猎鹰9 号1.0 版为两级火箭,第一级搭载了9天地往返重复使用是航天技术发展的重要方台Merlin1C发动机(采用九宫格布局),第二级向,从技术路线上来看,“垂直起降”“垂直发射、搭载了一台Merlin1C真空版发动机,均为液氧煤水平着陆”“水平起降”等几种技术途径都在并行油发动机,第一级不可回收。LEO运载能力开展研究和实践应用,其中猎鹰9 号火箭所发展的10450kg,G T O 运载能力4540 kg。1.0 版火箭一级箭体“垂直起降”发射回收复用技术,已最共进行了5次发射,4次完全成功,
5、1次部分成功。为成熟,并多次应用于火箭重复使用发射任务中,2010年6 月4日首次发射,2 0 13年3月1日发射在重复使用工程应用方面走在了前面,积累了经CRS-2任务后退役不再使用。验和大量可供分析的数据子样。基于此,本文以(2)猎鹰9 号1.1版(已退役)猎鹰9 号火箭作为目标研究对象,以期对重复使用相比1.0 版,猎鹰9 号1.1版火箭长度增加到研究和应用工作有所借鉴和帮助。68.4m,一级发动机改为9 台Merlin1D发动机(采用圆形布局),可实现节流调节能力,发动机1猎鹰9 号火箭及状态演变推重比也大幅提高。LEO运载能力提高到猎鹰9 号火箭自研制以来,已发展演变了5个13150
6、kg。1.1版共进行了15次发射,2 0 13年9版本的火箭。月2 9 日首次发射,除2 0 15年6 月2 8 日发射CRS收稿日期:2 0 2 3-12-0 1;修订日期:2 0 2 3-12-2 9作者简介:刘敏华(19 7 4一),男,博士研究生,研究员,主要研究方向为飞行器总体设计。第1期7任务失败外,其他主线任务都取得成功。(3)猎鹰9 号全推力版Block3(已退役)猎鹰9 号全推力版Block3火箭长度增加到70m,发动机升级到Merlin1D十发动机,通过冷凝处理技术提高液氧煤油的加注量,LEO运载能力提高到2 2 8 0 0 kg,G T O 运载能力8 30 0 kg,一
7、级完全可回收。共进行了2 5次发射,2 0 15年12月2 2 日首次发射OG-2任务,一级箭体B1019.1首次成功回收。除AMOS-6任务在发射前意外爆炸,其他发射均成功,实现了16 次成功回收。(4)猎鹰9 号Block4(已退役)猎鹰9 号Block4为过渡版本,采用钛合金栅格舵取代铝合金的栅格舵。2 0 17 年8 月14日首次发射,共进行了12 次发射,在猎鹰9 号火箭第57 次发射后退役不再使用。表1按按年度的统计Tab.1Statistics by year2018年2019年发射次数10箭体个数6年平均次数1.672.2按任务的统计分析Block5版本火箭按任务来源统计数据见
8、表2,分析如下。1)星链任务:详见2.3节,是当前猎鹰9 号火箭高密度发射的主要任务来源,发射次数总占比已达57%,2 0 2 3年度占比更是达到6 9%。2)NA SA 科学任务:个位数,任务相对较少。3)军方国防任务:主要为GPSIII卫星、NROL侦察卫星和太空发展局SDA卫星。4)国际空间站ISS货运和载人任务:相对稳定,每年任务次数为45次。5)国内用户:主要为国内通信公司。6)国外用户:随着猎鹰9 号火箭不断成熟与可靠,国外用户的数量持续增加,以通信卫星/星座发射为主,目前已成为排在星链发射任务之后的第二大发射任务。7)拼单发射服务:瞄准小卫星市场,持续推出了1次一箭多星和9 次T
9、ransporter拼单发射服务。8)商业太空飞行任务:目前主要形式包括亚轨道飞行和轨道级飞行,经过多年的探索,在2 0 2 1年实现了集中突破和爆发。2 0 2 1年,维珍银河1号载猎鹰9 号火箭发射及箭体复用的分析复使用能力大幅提升。2 0 18 年5月11日首次发射,截至2 0 2 3年12 月31日,已完成2 2 9 次发射,全部取得了成功。2猎鹰9 号火箭(Block5型)的发射统计分析2.1按年度的统计分析自2 0 18 年Block5版本火箭成功首飞以来,按年度(统计见表1)来看,猎鹰9 号火箭的年度发射次数呈持续上升态势,并且取得了全部成功。2023年,更是以15枚在役一级箭体
10、的多次复用,支撑了全年9 1次的火箭发射,一级箭体年平均复用次数达到6.0 6 次。2020年2021年11266111.832.3621(5)猎鹰9 号Block5(现役)猎鹰9 号Block5采用了全新设计的上面级,重2022年316010143.14.29人亚轨道飞行成功,蓝色起源载人亚轨道飞行成功,同年SpaceX的轨道级载人也发射成功。截至2 0 2 3年年底,SpaceX通过猎鹰9 号火箭,已成功发射实施了3次轨道级商业太空飞行任务,分别为2 0 2 1年的Inspiration4载人任务(4名乘员、约2 亿美元成本和3天轨道飞行)、2 0 2 2 年的AX-1任务(4名乘员、约2
11、 亿美元成本、与ISS对接和10 天周期往返)和2 0 2 3年的AX-2任务(4名乘员、约2 亿美元成本、与ISS对接和10 天周期往返),搭乘了12名乘员进人空间或空间站。2.3星链任务的统计分析从2 0 18 年发射星链卫星以来,截至2 0 2 3年12月31日,通过猎鹰9 号火箭,星链卫星已累计发射了56 50 颗卫星(具体统计见表3),其中包括2颗Tintin测试卫星、6 0 颗Vo.9版卫星、16 7 8颗V1.0版卫星、2 9 7 4颗V1.5版卫星和9 3 6 颗V2Mini版卫星。3一级箭体的复用分析3.1整体生产和库存情况猎鹰9 号火箭一级箭体的编号,采用了2023年911
12、56.06合计22922任务来源星链NASA美国军方国际空间站ISS美国公司外星拼单发射商业太空飞行任务Tintin-A/B卫星Vo.9版卫星拼单发射两批卫星轨道层G1轨道层G2轨道层G3轨道层G4轨道层G5轨道层G6轨道层G7总计Booster首字母B加序列数字的编号形式。B0001B0007(7 个),是用于技术验证与演示猎鹰9 号,也被称为V1.0版。其中B0001和B0002用于测试,其他5枚箭体用于发射。B1001B10 18(18 个),被称为V1.1版。其中B1001、B10 0 2、B10 0 9 用于测试,其他15枚用于发射。B1019B10 38(2 0 个),被称为完全推
13、力版本。其中B1027用于测试,其他用于发射。B1039B10 45(7 个),属于Block4版本。B1046开始,为Block5版本,快速稳定生产。截至2 0 2 3年年底,有B1060、B10 6 1、B10 6 2、B1063、B10 6 4、B10 6 5、B10 6 7、B10 6 9、B10 7 1、B1073、B10 7 5、B10 7 6、B10 7 7、B10 7 8、B10 8 0、B1081等一级箭体在服役。生产的部分一级箭体用于猎鹰重型火箭的助宇航总体技术表2按任务来源的统计Tab.2Statistics by task source2018年2019年2111612
14、024年1月2020年2021年1417231451143表3星链任务的发射统计Tab.3Launch Statistics for the Starlink Mission任务轨道514kmX97.5440500km53550560kmX97.5550kmX53570kmX70560kmX97.6540kmX53.2530km43525559kmX43525kmX53.052022年341254132122311实际发射数量260131665(2 8 批次)4088(8 批次)230(5批次)1637(32 批次)699(13批次)765(35批次)171(8 批次)5650推和芯级,详见表
15、4。3.2一级箭体(Block5型)复用的统计情况与能力评价通过表5的数据,对当前复用能力的评价,从以下3个指标进行分析。1)可复用次数S:代表箭体在回收维护后能够正常使用的能力,目前表征的最大次数是19 次。2)平均复用率:表征的是一枚箭体在一段时间内重复使用的频率,从能力角度它主要与维修维护及周转间隔时间D有关。不同一级箭体的年平均复用率在不断提高,已从最开始B1046箭体的1.8 次/年,逐步增加到B1076箭体的8 次/年。一级箭体的周转间隔时间D与箭体所处的维护状态和维护等级有关。重复使用火箭的检测维修,一般采用三级维护维修 2 。猎鹰9 号火箭关注复用准则的探索,通过振动试验验证重
16、要部件的2023年633531241状态试验卫星Vo.9(单星 2 2 7 kg)V1.0(单星2 6 0 kg)V1.0(单星2 6 0 kg)V1.5(单星2 9 5kg)V1.5(单星2 9 5kg)V1.5(单星2 9 5kg)V1.5(单星2 9 5kg)V2Mini(单星7 9 0 kg)V2Mini(单星7 9 0 kg)合计130310241039103第1期序号123456789箭体B1046B1047B1048B1049B1050B1051B1052B1053B1054B1055B1056B1057B1058B1059B1060B1061B1062B1063B1064B10
17、65B1066B1067B1068B1069B1070B1071B1073猎鹰9 号火箭发射及箭体复用的分析表4猎鹰重型火箭发射及其一级箭体使用情况Tab.4Falcon Heavy rocket launch and its usage of the stage-1 booster发射时间2018-02-062019-04-112019-06-252022-11-012023-01-162023-04-302023-07-282023-10-132023-12-29用途首飞时间F9一级2018-05-11F9一级2018-07-22F9一级2018-07-25F9一级2018-09-10F9
18、一级2018-12-05F9一级2019-03-02F9H助推级2019-04-11和F9一级F9H助推级F9一级F9H芯级F9一级F9H芯级F9一级F9一级F9一级F9一级F9一级F9一级F9H助推级F9H助推级F9H芯级F9一级F9H芯级F9一级F9H芯级F9一级F9一级23发射任务箭体(助推/芯级)Roadster+Starman全回收,B1023.2、B10 2 5.2/B10 33.1(回收失败)沙特通信卫星Arabsat6A全回收,B1052.1、B10 53.1/B10 55.1(回收损毁)STP-2 任务全回收,B1052.2、B10 53.2/B10 57.1(回收失败)US
19、SF-44助推回收,B1064.1、B10 6 5.1/B10 6 6.1(不回收)USSF-67助推回收,B1064.2、B10 6 5.2/B10 7 0.1(不回收)Viasat-3通信卫星全不回收,B1052.8,B10 53.3/B10 6 8.1Jupiter-3通信卫星助推回收,B1064.3、B10 6 5.3/B10 7 41(不回收)NASAPsyche任务助推回收,B1064.4、B10 6 5.4/B10 7 9.1(不回收)X-37BOTV-7任务助推回收,B1064.5、B10 6 5.5/B10 8 4.1(不回收)表5一级箭体使用情况Tab.5The usage
20、 of the stage-1 booster当前状态最后一次最短周转间隔天数平均年复用率(次年)2020-01-19消耗42019-08-07消耗32020-03-18损毁52022-11-23消耗112018-12-05损毁12022-11-12消耗142023-04-30消耗82019-04-112023-04-30消耗2018-12-232018-12-23消耗2019-04-112019-04-11损毁2019-05-042020-02-17损毁2019-06-252019-06-25损毁2020-05-312023-12-27损毁2019-12-052021-02-15损毁2020
21、-07-01检修2020-11-15检修2020-11-05检修2020-11-21检修2022-11-01检修2022-11-01检修2022-11-012022-11-01消耗2021-06-03检修2023-04-302023-04-30消耗2021-12-21检修2023-01-162023-01-16消耗2022-02-02检修2022-05-14检修使用次数不回收回收失败不回收回收失败不回收不回收3不回收1不回收1回收损毁4回收失败1回收失败19回收损毁6回收失败171717155511511211311不回收不回收不回收不回收881177562376328582724223635
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